[发明专利]一种具有ZrB2界面的Cf/SiC复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有ZrB₂界面的Cf/SiC复合材料的制备方法，包括：碳纤维表面活化处理，界面相的制备，多孔纤维预制体的制备，碳化硅基体的制备；其特征在于，碳化硅基体填充在纤维预制体中，形成碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，而界面层包裹在复合材料中碳纤维的表面。本发明在碳纤维表面制得耐高温抗氧化ZrB₂界面相，保留了碳纤维原有力学性能，提高了碳纤维高温抗氧化性。本发明解决了传统碳化硅陶瓷基复合材料制备方法制备周期长，Cf/SiC复合材料中增韧相碳纤维与碳化硅基体界面相容性以及碳纤维在高温氧化性的使用环境下容易发生氧化反应的技术问题。

技术领域

本发明涉及碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种具有ZrB₂界面的Cf/SiC复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有轻质、耐高温、高比强度、高比模量、低热膨胀系数、基体致密度高、耐热震、抗烧蚀、热化学稳定性好和耐苛刻环境适应性强等特性，是一种集结构承载和耐氧化/烧蚀为一体的轻质新型复合材料，已经广泛地应用到航空航天、卫星、军工和核工业等领域。碳纤维具有高模量、高强度、低密度、低热膨胀、耐高温、抗氧化、无蠕变，高导热、耐腐蚀等优异的性能，可以作为复合材料的增强体，这些特性使得碳纤维在陶瓷、树脂、金属、碳等材料为基体的复合材料中得到广泛应用。但是碳纤维在400℃以上的空气中就已经氧化，抗氧化性能较差，导致材料的性能下降，而且不经过表面处理的碳纤维表面活性较低，与某些基体的浸润性不好，结合能力较差，也会导致碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的性能降低。不仅如此，在制备复合材料温度下，碳纤维很容易与基体发生反应，从而损伤纤维，严重降低了碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的性能。现有技术通过在基体材料的表面涂覆抗氧化涂层来增强基体材料的抗氧化性能是常用和有效的手段，但是在Cf/SiC复合材料表面涂覆单涂层很难起到有效高温抗氧化保护的作，通常Cf/SiC的抗氧化涂层体系由热膨胀系数与基体接近并有良好粘接作用的粘接层、能对涂层裂纹进行自愈合的活性功能层和能抵抗气流冲蚀的抗冲蚀层组成。

对碳纤维进行表面涂层可以有效的解决上述问题。涂层不仅能提高碳纤维的抗氧化性能，而且它作为碳纤维和基体之间的阻挡层，可以防止碳纤维和基体发生界面反应，且改善了复合材料中纤维与基体的界面相容性问题。另外，在基体内加入少量高温抗氧化陶瓷颗粒，一方面可以起到颗粒增韧作用，另一方面也可提高复合材料高温抗氧化性。硼化锆(ZrB₂)具有高熔点、高硬度、高温稳定性、抗氧化性并与碳纤维具有良好的化学相容性，能较好的满足超高温环境下的使用要求，这些优点使其成为一种极具发展潜力的耐高温抗氧化涂层。SiBNC具有良好的高温稳定性、抗氧化性并与碳纤维具有良好的化学相容性，在惰性气体保护下低于1700℃时无热失重和分相，2000℃时才有结晶转变为SiC和Si₃N₄及少量的非晶BN，而且在1700℃下空气中的抗氧化性能远好于SiC和Si₃N₄，这些优点也使其成为一种极具发展潜力的耐高温抗氧化材料，而且在基体中添加适量的SiBNC颗粒，还可以起到增韧作用，提高碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的力学性能。